Die Landschaft der industriellen Fertigung befindet sich in einem stetigen Wandel. Kunststoffe haben besonders in den letzten Jahren massiv an Bedeutung gewonnen und werden immer mehr, insbesondere in der verarbeitenden Industrie, zur Basis innovativer Produktlösungen. Während traditionelle Verfahren wie das Spritzgießen lange Zeit den Markt dominierten, hat sich der 3D-Druck (Additive Manufacturing) als disruptive Technologie etabliert, die nicht nur die Entwicklung von Prototypen beschleunigt, sondern zunehmend Serienanwendungen erobert.
Dieser Fachartikel, verfasst von Jonas Siegrist, Geschäftsführer von der S2S Systemdrucker GmbH, bietet Ingenieuren, technischen Leitern und Wissenschaftlern einen allgemeinen Überblick über Kunststoffe für 3D-Druck, die Unterscheidung der Materialien und die spezifischen Vorteile der Granulat-Verarbeitung gegenüber herkömmlichem Filament.
Grundlagen der Polymertechnologie im 3D-Druck
Um die Eignung eines Materials für spezifische Anwendungen zu beurteilen, ist ein Verständnis der chemischen und physikalischen Basis unerlässlich. Allgemein kann man sagen, dass Kunststoffe in drei Hauptkategorien unterteilt werden:
Thermoplaste
Duroplaste
Elastomere
In der additiven Fertigung, speziell im FDM/FFF-Verfahren und dem von S2S genutzten Granulat-Druck (FGF), werden hauptsächlich Thermoplaste verarbeitet. Diese lassen sich durch Wärme verformen und behalten nach dem Abkühlen ihre Form bei – ein Prozess, der wiederholbar ist.
Amorphe vs. Teilkristalline Kunststoffe: Die molekulare Ordnung
Ein tieferer Blick in die Mikrostruktur ist entscheidend für das Verständnis des thermischen Verhaltens und der mechanischen Eigenschaften. Ein Kunststoff im Allgemeinen besteht aus langen Polymerketten. Die Art und Weise, wie sich diese Ketten anordnen, definiert die Unterteilung in zwei wesentliche Klassen:
1. Amorphe Kunststoffe
Bei amorphen Kunststoffen (z. B. ABS, PC, PS) sind die Polymerketten chaotisch und völlig ungeordnet angeordnet – vergleichbar mit einem Teller Spaghetti. Dieses "Chaos" auf molekularer Ebene hat direkte Auswirkungen auf die optischen Eigenschaften: Da das Licht nicht an kristallinen Strukturen gebrochen wird, sind diese Kunststoffe oft transparent. Ein weiteres Kennzeichen ist ihr thermisches Verhalten. Sie erweichen stetig. Dies bedeutet eine eher lineare Veränderung ihres Zustands mit steigender Temperatur, was sie oft dimensionsstabiler und weniger anfällig für Verzug (Warping) macht.
2. Teilkristalline Kunststoffe
Im Gegensatz dazu weisen teilkristalline Kunststoffe (z. B. PA, PP, PEEK) Bereiche auf, in denen sich die Polymerketten in einer hochgeordneten, kristallinen Struktur falten. Diese dichten Strukturen streuen das Licht, weshalb diese Materialien in der Regel opak oder milchig erscheinen. Thermisch verhalten sie sich radikal anders: Sie weisen eine schlagartige Änderung ihres Aggregatzustands auf. Das bedeutet, dass wir beispielsweise bei 240 Grad noch einen sehr zähen Kunststoff haben und bei nur geringfügiger Temperaturerhöhung, etwa auf 242 Grad, bereits eine schlagartige Änderung zu einer sehr niedrigviskosen Schmelze beobachten. Dieser schmale Grat erfordert eine präzise Prozessführung im Drucker.
Verfahrensvergleich: Urformen vs. Additive Fertigung
In der Kunststoffindustrie haben sich viele verschiedene Verfahren etabliert. Das klassische Urformen umfasst Methoden wie:
Spritzgießen
Vakuumgießen
Extrusion
Diese Verfahren sind oft mit hohen Werkzeugkosten verbunden und lohnen sich primär bei sehr hohen Stückzahlen. Mit den anderen Verfahren bewegen wir uns oft im Bereich subtraktiver Methoden (Fräsen, Drehen), bei denen Material abgetragen wird. Im Bereich des 3D-Drucks hingegen haben wir es mit additiver Fertigung zu tun, also dem gezielten, schichtweisen Hinzufügen von Material.
Der 3D-Druck hat sich als neues Verfahren etabliert, das viele andere Fertigungsverfahren ablösen oder ergänzen kann, insbesondere wenn es um komplexe Geometrien, Leichtbau oder individualisierte Bauteile geht.
Vom Filament zum Granulat: Der S2S Systemdrucker Ansatz
Die meisten Kunststoffe, die sich auf dem Markt etabliert haben, lassen sich grundsätzlich auch im 3D-Druck verarbeiten. Das dominierende Verfahren im Desktop- und Semi-Profi-Bereich ist das Fused Filament Fabrication (FFF).
Die Grenzen des Filaments
Beim Filamentverfahren hat sich in den letzten Jahren etabliert, dass das Material als Spule beziehungsweise 3D Druck Filament mit einem definierten Durchmesser von 1,75 oder 2,85 Millimetern vorliegt. Dieses Filament wird mittels eines Extruders (Motor und Getriebe) in eine beheizte Zone geführt, aufgeschmolzen und durch eine Düse gepresst.
Dieses Verfahren hat jedoch Nachteile für die industrielle Produktion:
Hohe Materialkosten: Das Filament muss erst aus Granulat extrudiert, kalibriert und gewickelt werden. Dieser Zwischenschritt verteuert den Werkstoff massiv.
Limitierte Materialauswahl: Nicht alle Polymere lassen sich gut zu Filamenten verarbeiten.
Druckzeit: Die Auftragungsraten sind durch den dünnen Filamentstrang physikalisch begrenzt.
Einen Schritt zurück, um zwei weiter voran gehen zu können
In unserem Fall als 3D-Druck Dienstleister, die S2S Systemdrucker GmbH, liegt unser Spezialgebiet im Verdrucken von Materialien in Granulatform (Fused Granular Fabrication). Dabei wird kein spulenförmiges Material zugeführt, sondern das Material liegt in Rohform als Granulat vor.
Die Vorteile und Möglichkeiten für die Industrie liegen auf der Hand:
Kostenersparnis: Das Verfahren ist deutlich kostengünstiger, da wir das Material direkt als Rohmaterial zukaufen können – in großen Mengen, genau wie es aus der Spritzgussindustrie bekannt ist. Der teure Veredelungsschritt zum Filament entfällt.
Geschwindigkeit: Durch Extrusionsschnecken können wir Material schneller und in größeren Volumina austragen. Dies ermöglicht es, Bauteile in einem Bruchteil der Zeit herzustellen.
Materialvielfalt: Wir können auf zertifizierte Standardgranulate der Industrie zugreifen, ohne auf spezielle 3D-Druck-Varianten warten zu müssen.
Detaillierte Übersicht: Materialien und Kunststoffarten im 3D-Druck
Die Wahl des richtigen Materials entscheidet über Erfolg oder Misserfolg eines Projekts. Jede Kunststoffart hat ein eigenes Anwendungsgebiet, spezifische Funktionen sowie individuelle Vor- und Nachteile. Im Folgenden geben wir einen detaillierten Überblick über die relevantesten 3D Druck Materialien.
1. Standard-Kunststoffe: PLA und PETG
Polymilchsäure (PLA)
PLA (Polylactide) ist oft der Einstieg in die Welt des 3D-Drucks. Es handelt sich um einen biobasierten Kunststoff, der aus nachwachsenden Rohstoffen wie Maisstärke gewonnen wird. Biochemisch wird er über Milchsäure synthetisiert, wodurch ein Biopolymer entsteht.
Eigenschaften: Sehr hohe Oberflächenhärte, detailgetreue Wiedergabe, geringer Verzug (Warping).
Nachteile: PLA ist spröde und besitzt eine niedrige Erweichungstemperatur (ab ca. 60°C).
Anwendung: Modellbau.
Polyethylenterephthalat-Glykol (PETG)
PETG ist die glykolmodifizierte Variante des bekannten PET, das wir aus der Getränkeindustrie kennen. Das "G" steht für Glykol, welches hinzugefügt wird, um die Kristallisation zu verhindern und die Druckbarkeit zu verbessern.
Eigenschaften: Flexibler als PLA, höhere Temperaturbeständigkeit (bis ca. 75-80°C), gute chemische Beständigkeit, lebensmittelecht (abhängig vom Hersteller).
Verarbeitung: Es lässt sich gut verarbeiten und bietet eine exzellente Schichthaftung.
Anwendung: Funktionsbauteile, mechanische Vorrichtungen, Schutzabdeckungen.
2. Technische Kunststoffe (Engineering Plastics)
Relativ schnell kommt man in der industriellen Anwendung in Bereiche, die deutlich anspruchsvoller sind und "echte" technische Eigenschaften verlangen. Hier dominieren Materialien wie ABS (Acrylnitril Butadien Styrol) und ASA.
Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)
ABS ist ein Klassiker der Kunststofftechnik (bekannt z.B. von LEGO-Steinen). Es ist ein amorpher Thermoplast, der aus drei Monomeren besteht: Acrylnitril, Butadien und Styrol.
Mechanische Eigenschaften: Hohe Schlagzähigkeit, kratzfeste Oberfläche, gute Temperaturbeständigkeit (bis ca. 90-100°C).
Herausforderungen: ABS schwindet thermisch stark beim Abkühlen. Dies führt zu internen Spannungen und Verzug. Ein 3D-Drucker für ABS benötigt zwingend einen geschlossenen, idealerweise beheizten Bauraum und ein beheiztes Druckbett.
Nachbearbeitung: ABS lässt sich hervorragend mechanisch bearbeiten (bohren, schleifen) und chemisch glätten (z.B. mit Aceton-Dampf).
Acrylnitril-Styrol-Acrylat (ASA)
Da ABS unter UV-Einstrahlung (Sonnenlicht) vergilbt und versprödet, wurde ASA entwickelt. Es ist ein nahezu identischer Kunststoff, bei dem die Butadien-Komponente durch Acrylatkautschuk ersetzt wurde.
Vorteil: ASA ist extrem witterungs- und UV-beständig.
Anwendung: Außengehäuse, Fahrzeugteile, Outdoor-Anwendungen.
Polyamid (PA / Nylon)
Polyamide gehören zu den wichtigsten technischen Thermoplasten. Sie sind teilkristallin und zeichnen sich durch eine exzellente Zähigkeit und chemische Beständigkeit aus.
Eigenschaften: Hohe Abriebfestigkeit, geringer Reibungskoeffizient, hohe Ermüdungsfestigkeit.
Herausforderung: PA ist stark hygroskopisch, d.h., es zieht Wasser aus der Luft. Feuchtes Material führt zu schlechter Oberfläche und reduzierter Festigkeit. Eine professionelle Materialtrocknung vor der Verarbeitung ist Pflicht.
Varianten: PA6, PA12, PA6.6. Oft verwendet im Lasersintern (SLS), aber zunehmend auch im FFF/Granulat-Druck.
3. Hochleistungskunststoffe (High Performance Polymers)
Für Anwendungen, die früher Metall vorbehalten waren, kommen heute Hochleistungspolymere zum Einsatz. Diese Kategorien sind die Spitze der Pyramide.
PEEK (Polyetheretherketon)
PEEK ist einer der leistungsfähigsten Thermoplaste der Welt.
Performance: Dauergebrauchstemperaturen bis 260°C, extreme Chemikalienbeständigkeit, hervorragende tribologische Eigenschaften (Gleitverhalten), biokompatibel.
Verarbeitung: Erfordert extrem hohe Drucktemperaturen (Düse > 400°C, Bauraum > 100°C). PEEK ist teilkristallin, was die Prozessführung anspruchsvoll macht.
Industrie: Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Öl & Gas, Ersatz für Metallbauteile.
PEI (Ultem)
Ultem ist ein amorpher Hochleistungskunststoff mit hoher Transparenz (bernsteinfarben) und extremer Festigkeit.
Vorteil: Es besitzt herausragende flammhemmende Eigenschaften (UL94 V-0 Zertifizierung) und eine geringe Rauchgasentwicklung, was es ideal für die Luftfahrt und den Schienenverkehr macht.
4. Flexible Materialien und Elastomere
Thermoplastisches Polyurethan (TPU)
TPU gehört zur Klasse der thermoplastischen Elastomere (TPE). Es kombiniert die Eigenschaften von Gummi mit der Verarbeitbarkeit von Thermoplasten.
Eigenschaften: Hohe Reißdehnung, flexibel, dämpfend, beständig gegen Öle und Fette.
Varianten: Verfügbar in verschiedenen Shore-Härten.
Anwendung: Dichtungen, Dämpfungselemente, flexible Schläuche, Griffe.
Additive und Modifikation von Kunststoffen
Reine Polymere (Basispolymere) kommen in der Industrie selten allein zum Einsatz. Um die mechanischen Eigenschaften oder die Verarbeitbarkeit zu optimieren, werden sie mit Additiven versetzt (compoundiert).
Faserverstärkung
Ein großes Thema in der Entwicklung neuer Materialien ist die Zugabe von Fasern. Kurzfasern oder Langfasern aus Glas oder Kohlenstoff (Carbon) werden in die Matrix (z.B. Nylon oder ABS) eingebettet.
Effekt der Fasern:
Erhöhung der Steifigkeit (E-Modul) und Zugfestigkeit.
Reduzierung der thermischen Ausdehnung (weniger Verzug).
Erhöhung der Wärmeformbeständigkeit.
Diese Fasern unterbrechen teilweise die Richtungsgebundenheit (Anisotropie) der Materialeigenschaften, die durch den schichtweisen Aufbau entsteht, und sorgen für homogenere Bauteileigenschaften.
Funktionale Additive
Gleitmittel & Weichmacher: Verbessern den Fluss im Extruder.
Haftvermittler: Sorgen für besseren Halt auf dem Druckbett.
Farbmasterbatches: Ermöglichen jede gewünschte Farbe (RAL/Pantone), was besonders beim Granulatdruck einfach zu realisieren ist.
Flammschutzmittel: Für Anwendungen im Brandschutz.
ESD-Zusätze: Leitfähige Partikel (Russ, Carbon-Nanotubes) machen den Kunststoff elektrisch ableitfähig, um statische Aufladung zu verhindern (wichtig für Elektronik-Gehäuse).
Herausforderungen in der Verarbeitung und Qualitätssicherung
Obwohl der 3D-Druck als Verfahren ausgereift ist, ergeben sich viele Herausforderungen in der täglichen Praxis, da für jeden Kunststoff und oft sogar für jeden Kunststoffhersteller eigene Prozessparameter eingestellt werden müssen. Es handelt sich um ein sehr eigenständiges Fachgebiet.
Thermomanagement und Kristallisation
Wie eingangs erwähnt, verhalten sich amorphe und teilkristalline Kunststoffe unterschiedlich. Bei teilkristallinen Werkstoffen wie PEEK oder Polyamid muss die Abkühlkurve exakt gesteuert werden. Kühlt das Material zu schnell ab, bilden sich keine perfekten Kristalle, was die chemische Beständigkeit und Festigkeit mindert. Kühlt es zu langsam oder ungleichmäßig ab, entsteht massiver Verzug. Die beheizte Kammer moderner Industriesysteme ist daher kein Luxus, sondern physikalische Notwendigkeit.
Anisotropie: Die Schicht-Problematik
Ein 3D Druck Bauteil hat in Z-Richtung (senkrecht zu den Schichten) meist eine geringere Festigkeit als in X- und Y-Richtung. Die Fusion der einzelnen Schicht auf die darunterliegende ist der kritische Punkt. Durch hohe Drucktemperaturen und optimierte Bauraumheizungen kann dieser Effekt minimiert werden, sodass nahezu isotrope Eigenschaften (wie beim Spritzguss) erreicht werden können.
Anwendungsbereiche in der Industrie
Die Vielzahl der verfügbaren Kunststoffarten ermöglicht eine breite Verbreitung der Technologie in verschiedensten Branchen:
Automobil: Prototypenbau, Vorrichtungen, Montagehilfen, Ersatzteile für Oldtimer (z.B. aus ASA oder PA).
Maschinenbau: Greifer, Halterungen, individuelle Werkzeuge, die aus verschleißfesten Materialien gefertigt werden.
Medizintechnik: Orthesen, Prothesen, chirurgische Schablonen (Biokompatibilität erforderlich).
Elektronik: Gehäuse für Sensoren, ESD-sichere Halterungen.
Ausblick: Die Zukunft der 3D-Druck Materialien
Die Entwicklung neuer Materialien schreitet rasant voran. Wir sehen einen Trend zu Hochtemperatur-Materialien und zertifizierten Compounds, die den hohen Anforderungen der Luftfahrt und Bahnindustrie gerecht werden. Gleichzeitig wird Nachhaltigkeit wichtiger: Das Recycling von Kunststoffen und der Einsatz von Rezyklaten (rPLA, rPET) nimmt zu.
Für Dienstleister und produzierende Unternehmen wie die S2S Systemdrucker GmbH bedeutet dies, technologisch immer am Puls der Zeit zu bleiben. Durch den Einsatz von Granulat-Druckern sind wir in der Lage, neue Materialentwicklungen der Chemieindustrie sofort zu adaptieren, ohne auf die Verfügbarkeit von Filamenten warten zu müssen.
Fazit
Die Auswahl an Kunststoffen für 3D-Druck ist heute so groß wie nie zuvor. Vom kostengünstigen PLA über das robuste Abs Acrylnitril Butadien Styrol bis hin zum Hochleistungskunststoff PEEK deckt die additive Fertigung nahezu alle Anforderungen ab. Der Schlüssel zum Erfolg liegt nicht nur im Drucker, sondern im tiefen Verständnis der Materialwissenschaft.
Mit der Technologie der Granulat-Verarbeitung schlägt S2S eine Brücke zwischen der Flexibilität des 3D-Drucks und der Materialvielfalt sowie Kosteneffizienz des Spritzgusses. Dies ermöglicht es uns, Serien und Großbauteile wirtschaftlich zu realisieren.
Häufige Fragen (FAQ) zu 3D-Druck Kunststoffen
Welches ist das stabilste Material für den 3D-Druck?
Im Bereich der technischen Standardkunststoffe bietet kohlefaserverstärktes Polyamid (PA-CF) und ABS oft das beste Verhältnis aus Preis und mechanischer Leistung.
Warum wird im industriellen 3D-Druck oft Granulat statt Filament verwendet?
Granulat ist der standardmäßige Zustand der meisten Kunststoffe. Die Verarbeitung zu Filament ist ein zusätzlicher, teurer Prozessschritt. Granulatdruck (FGF) ist daher deutlich günstiger im Materialeinkauf, ermöglicht höhere Austragsraten (schnellerer Druck) und bietet eine gigantische Materialauswahl.
Was ist der Unterschied zwischen ABS und ASA?
Beide sind mechanisch sehr ähnlich und robust. Der Hauptunterschied liegt in der UV-Beständigkeit. ABS vergilbt und versprödet unter UV-Licht (Sonne), während ASA speziell für Außenanwendungen entwickelt wurde und UV-stabil bleibt.
Autor: Jonas Siegrist
Unternehmen: S2S Systemdrucker GmbH